原位芯片·氮化硅窗口助力 清华大学利用多层膜结构进行手性自旋电子学的研究

原位芯片·氮化硅薄膜窗口助力 

清华大学利用多层膜结构进行手性自旋电子学的研究

近日，清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室/量子信息前沿科学中心江万军课题组通过界面优化以及纳米薄膜制备技术，率先在稀土永磁SmCo5薄膜材料中实现了磁垂直各向异性。在此基础上，该课题组研究了SmCo5薄膜材料中的自旋轨道力矩效应，以及不同类型的拓扑自旋结构。，其研究结果表明，稀土永磁体是研究界面手性自旋电子学的新平台。该研究以“Rare-Earth Permanent Magnet SmCo5 for Chiral Interfacial Spin-Orbitronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

在广泛研究的重金属/铁磁膜中，自旋轨道力矩可以有效地操纵磁化强度，界面反演对称破缺同时也可以衍生出磁斯格明子。这些基础研究可以为未来自旋器件提供新思路，因而是当下的研究热点。尽管传统磁性材料（Co, CoFeB, Co2FeAl, CoFeGd基多层膜）自旋电子学已经取得了较大进展，探索具有优异性能的新材料体系一直是本领域的研究前沿。SmCo5是一种稀土永磁材料，它具有强磁各向异性，可以被用作为高密度记录介质。若将其应用在界面自旋电子器件，在提高自旋器件的热稳定性的同时，也能提高器件存储密度。本文首先合成了具有垂直磁各向异性的永磁体SmCo5薄膜，在Pt/SmCo5/Ta三层中观测到自旋霍尔效应引起的确定性SOT驱动磁化强度翻转。此外，在[Pt/SmCo5/Ta]15多层膜中获得稳定的直径≈100 nm的skyrmions，以及[Pt/SmCo5/Ir]15多层膜中获得圆环状磁结构(skyrmionium)。。根据材料的具体参数，进行微磁模拟进一步揭示了这些磁结构中的自旋分布。结果表明，稀土永磁体是研究界面手性自旋电子学的新平台。

a) Pt和Ta层通过SHE产生的自旋电流示意图。b)制作的符合薄膜装置的光学图像。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104426

该课题组研究的多层膜是在100 nm厚度的氮化硅薄膜上进行PVD合成，氮化硅膜窗口由苏州原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产。原位芯片生产的氮化硅膜窗口最薄可至10 nm，在保证超平整、超洁净的质量要求前提下，同时具有良好的机械强度，耐高温特性以及表面导热性。

本文不得转载用于其他商业用途